5.5. Відбивні клістрони.

Рис. 5.6. Конструкція відбивного клістрона і його просторово-часова діаграма.

Відбивний клістрон представляє собою скляний або металевий балон, всередині якого створений вакуум І розміщені катод В, фокусуючий електрод Ф, прискорюючий електрод в вигляді аноду А, об'єм­ний резонатор Р та відбивач В (рис. 5.6а). В відбивному клістроні один і той же резонатор виконує обидві функції групування і вловлю­вача електронів.

До фокусуючого електроду відносно катоду прикладається невелика позитивна чи негативна напруга . На прискорюючий електрод подається .позитивна напруга , під впливом якої електронний потік проходить через сітки резонатора 1 попадає в простір між другою сіткою і відбивачем. На відбивач подається негативна напруга , яка гальмує електрони і відштовхує їх.

Розглянемо основні електричні процеси в відбивному клістроні, які забезпечують самозбудження коливань.

Припустимо, що між сітками резонатора діє змінна напруга U (рис. 5.6б). Зона спочатку виникає при ввімкненні джерел живлення внаслідок прольоту перших електронів через сітки резонатора. Напру­га U на протязі позитивного напівперіоду збільшує швидкість злектронів, Які рухаються до відбивача, а на протязі негативного напівперіода гальмує .. рух електронів і зменшує їх швидкість. Таким чином, електрони потоку при прямому рухові через сітки резонатора модулюються по швидкості.

При подальшому рухові за сітками електрони зустрічають елек­тричне поле відбивача, яке їх гальмує зупиняє і відштовхує зно­ву до сіток резонатора. В процесі цього руху електрони групуються в згустки, які знову пролітають сітки, гальмуються І віддають свою кінетичну енергію резонатору, підтримуючи в ньому коливання.

Для пояснення процесу формування електронних згустків звер­немося до ПЧД клістрона, яка зображена на рис 5,66. На ньому в однаковому масштабі часу показані траєкторії прольоту різних елек­тронів і напруги між сітками резонатора. По осі ординат відкладений пройдений електронами шлях, який відраховується від аноду.

Електрон І покидає сітки при t=0 та максимально­му прискорюючому полі, тому він має максимальну швидкість. Цей электрон піднімається над сітками резонатора на максимальну висоту і повертається до сіток в момент

Його шлях в просторі відбивач-резонатор є найбільш довгим, а час прольоту 0- - найбільш тривалим.

Електрон 2 відділяється від сітки через четверть періоду піс­ля електрона ї, коли напруга U = 0. Цей електрон пролітає сітки, не змінюючи швидкості, і, попадаючи в поле гальмування, піднімаєть­ся на висоту .До сіток резонатора він повертається одночасно з електроном 1.

Більш пізній электрон 3 пролітає сітки при максимальному полі гальмування, внаслідок чого швидкість його зменшується. В резуль­таті він повертається до сіток на висоті . Його шлях стає коротшим, а час пробігу менший, ніж в електронів 1 та 2. Таким чином, електрон 3 повертається до сіток резонатора одночасно з першими двома електронами, створюючи згусток. В кожний період між сітками може згрупуватися тільки по одному згустку, як показано на рис.5.66.

Самозбудження клістрона можливо при умові, що густина електрон­них згустків не менша деякої критичної величини, і щоб згустки попадали в простір між сітками резонатора в протифазі з змінною напругою, яка діє в цьому просторі. При цьому проходить торможення електронів всередині резонатора, а , отже, перехід енергії, одержаної електронами від постійного електричного поля, в коливальну енергію резонатора.

Визначені умови виконуються в тому випадку, якщо час прольоту електронів в просторі сітка-відбивач відповідає умові :

- власна частота об'ємного резонатора, а

- ціле число.

Приведене рівняння визначає область значень часу прольоту електронів, при яких в клістроні спостерігається генерація. Ці області одержали назву зон генерації (або самозбудження). Вони відпо­відають різним значенням числа n, яке зважають номером зони.

Оскільки час прольоту залежить від величини негативної напру­ги на відбивачі, то, змінюючи її, можна переходити від одної зони генерації до другої. Крім того, при зміні напруги на відбивачі час­тота коливань клістрона змінююється в межах 0,5... 1% всередині зони (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Графік зміни частоти і коливальної потужності в різних зонах генерації клістрона.

Цю властивість називають електронним настроениям клістрону. На рис. 5.7а показані графіки відносно зміни частоти в різних зонах генеряцїї, їх називають кривими електронного настроения. Номінальна частота клістрона одержується в середині кожної зони. Вона дорівнює: власній частоті резонатора. На рис 5.7 б видно, що чим вищий номер зони, тим крутіше крива електронного настроения.

Зміна частоти в середині зони пояснюється тим, що при підході електронного згустка до точки максимального гальмування(середини зони) Т при відході під неї з'являється зсув по фазі між напругою на сітках резонатора і першою гармонікою наведеного в ньому струму. Отже, в цих положеннях в резонатор вноситься реактивний опір, який змінює його резонансну частоту коливань.

Як видно, діапазон електронного настроєння дуже малий. Перестроєння в більш широких межах можливе лише за рахунок зміни резонатора або шляхом зміни його об'єму.

В відбивному клістроні при зміні напруги на відбивачі змінюєть­ся не тільки частота, але і потужність коливань. На рис 6.7 б видно, що найбільша потужність є в другій зоні ( n=2). Відбивні клістрони випускаються на невелику потужність - від долей вата до одиниць ват. Треба зауважити, що вони мають низький ККД.

Відбивні клістрони широко використовуються d радіопередачах сантиметрового діапазону і в вимірювальній апаратурі.